基于OMAP-L138的便携式设备状态监测与诊断仪设计

 工业设备的状态监测和故障诊断，有效地保证了设备的平稳运行，并在设备预知维修中发挥越来越重要的作用。为了满足石化企业对于状态监测和故障诊断的需求，设计了一款便携式综合性设备状态监测与诊断仪器。设计中参考了信迈的OMAPL138+SPARTAN6评估板， TI公司推出的OMAPL138双核处理器，具备强大的复杂数据处理能力和可靠的实时性，可以实现高性能双通道数据采集器和信号分析，现场显示FFT频谱图、轴心轨迹等功能。
    OMAPL138处理器综合了DSP和ARM两个处理器各自在实时性和计算精度上的优势。DSP进行信号处理任务，ARM可以运行嵌入式操作系统及图形界面，完成波形显示、存储及外围器件的控制。DSP与ARM间的数据通信由DSP/BIOS桥来实现。    

评估板简介

• 基于TI OMAP-L138（定点/浮点 DSP C674x+ARM9）+ Xilinx Spartan-6 FPGA处理器；
• OMAP-L138 FPGA 通过uPP、EMIFA、I2C总线连接，通信速度可高达 228MByte/s；OMAP-L138主频456MHz，高达3648MIPS和2746MFLOPS的运算能力；
• FPGA 兼容 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45，平台升级能力强；
• 开发板引出丰富的外设，包含千兆网口、SATA、EMIFA、uPP、USB 2.0 等高速数据传输接口，同时也引出 GPIO、I2C、RS232、PWM、McBSP 等常见接口；
• 通过高低温测试认证，适合各种恶劣的工作环境；
• DSP+ARM+FPGA三核核心板，尺寸为 66mm*38.6mm，采用工业级B2B连接器，保证信号完整性； Ø
• 支持裸机、SYS/BIOS 操作系统、Linux 操作系统。

XM138F-IDK-V3.0 是一款基于深圳信迈XM138-SP6-SOM核心板设计的开发板，采用沉金无铅工艺的4层板设计，它为用户提供了 XM138-SP6-SOM核心板的测试平台，用于快速评估XM138-SP6-SOM核心板的整体性能。

XM138-SP6-SOM引出CPU全部资源信号引脚，二次开发极其容易，客户只需要专注上层应用，大大降低了开发难度和时间成本，让产品快速上市，及时抢占市场先机。不仅提供丰富的 Demo 程序，还提供详细的开发教程，全面的技术支持，协助客户进行底板设计、调试以及软件开发。

1 硬件设计
1.1 处理器及其外设电路设计
　OMAPL138芯片采用C6748内核和ARM926EJ-S核，两个处理器主频最高支持到456 MHz。C6748是一个定点浮点数字信号处理器核，它相对TMS320C6000器件功耗显著降低，并可实现代码兼容。ARM926EJ-S是一个32 bit精简指令集的处理器核，可以执行32 bit、16 bit指令集，处理32 bit、16 bit、8 bit数据。ARM核有一个协处理器CP15，以及8 KB的RAM、64 KB的ROM。接口支持1个10/100 M以太网接口，DDR2内存控制器，1个EMIFA接口，2套I2C与SPI接口，以及2套McBSP接口等[1]。OMAPL138的硬件连接图如图1所示。

    OMAPL138使用EMIFA接口控制Flash的操作，使用GPCM 16 bit操作模式。FLASH选用SPANSION公司的一款容量为32 MB的芯片，用于存储BOOT内容和应用程序。此外，OMPAL138的数据地址线顺序采用SMALL_EIDEN模式，地址线和数据线的连接要注意最高有效位与最低有效位的顺序与PowerPC等系列的处理器不一致。
　OMAPL138支持mDDR和DDR2两种制式，本设计选用DDR2 SDRAM作为芯片的内存。DDR2 SDRAM采用1片DDR2芯片MT47H64M16HR来实现，单片芯片的容量是128 MB，位宽16 bit，内部分为8个BANK。只需要配置SDCR、SDRCR、SDTIMR1、SDTIMR2这4个寄存器即可实现对DDR2的配置。OMAPL138的DDR2控制器最高速率支持150 MHz。
　OMAPL138通过I2C接口连接一片E2PROM,型号为AT24C32CN，有 4 096×8 bit的存储空间，用于存储传感器标定参数和版本信息等。
　此外OMAPL138通过MII接口连接网线与PC机之间的通信，还可以通过UART接口方便地与上位机进行驱动程序的调试，打印调试信息。
1.2 数据采集电路设计
    系统数据采集部分由两路高速AD、大容量缓冲器FIFO和FPGA组成。FPGA负责高速数据采集逻辑控制、缓存FIFO逻辑控制[2]。采集得到的信号传到OMAP中的DSP核，然后进行信号处理、完成算法，最后送给ARM核进行波形显示等功能。数据采集模块架构如图2所示。

　通过压电式加速度传感器采集得到的振动信号，首先通过信号调理放大电路，之后再经过二阶巴特沃斯带通滤波器，可以由AD采集得到纯净的加速度信号。加速度信号经过一级积分电路可得到速度信号，再经过一级积分电路可得到位移信号。
　在旋转机械状态检测和诊断中，键相信号占有重要的位置。通过电涡流传感器产生的键相信号一般为-10 V左右的负脉冲，经过隔直、反相、迟滞比较之后变成3.3 V的窄脉冲，送给FPGA作为触发采集的触发信号。
　FPGA选用Altera公司的Cyclone系列,通过OMAP上的UPP（Universal Parallel Port）接口相连接，将高速数据信号传输到OMAP的DSP核。FPGA接受键相电路的触发作为数据采集的相位零点，同时控制单路或两路AD同时对调理后的振动信号进行采集，采集得到的数值先缓存到FIFO中，然后再通过FPGA传送到OMAP中。
　在OMAP的DSP核中，可以将采集得到的振动波形进行数字信号处理，完成傅里叶变换、轴心轨迹、动平衡等算法。最终通过DSP/BIOS桥将处理结果传送给ARM核，在应用程序中显示出时域图、频谱图和轴心轨迹图等。

2 软件设计
　设备状态监测与诊断仪的软件设计包括：引导程序的设计、操作系统内核裁剪和移植、定制文件系统以及应用程序及界面的开发。OMAP中DSP核运行DSP/BIOS实时系统，ARM核运行Windows CE系统。DSP/Link为处理器提供双核通信架构。在DSP端，DSP/Link作为DSP/BIOS的一个驱动而存在。在ARM端，DSP/Link作为一个外设而存在，并通过应用层的函数库访问这个设备来进行操作。
2.1操作系统搭建与移植
    板级支持包（BSP）是介于主板硬件和操作系统之间的一层，主要目的是支持操作系统，使之能够更好地运行于硬件主板。一个典型的Windows CE板级支持包包括引导装载程序Boot loader、OEM适配层(OAL)，设备驱动以及系统镜像的配置文件四个组成部分。应用集成开发环境Platform Build根据特定的BSP，可以生成针对不同硬件的特定操作系统镜像。对嵌入式操作系统Windows CE进行剪裁，结合板级支持包编译生成可在硬件上运行的操作系统，达到Windows CE对硬件系统移植的目的。通过对Windows CE部分代码的修改，实现系统需求的新软件特性的扩展。
    设备驱动的设计和开发,包括数据采集系统的驱动、红外测温模块、面板功能键盘模块及电源管理模块等设备的驱动；并且面向系统和应用程序提供友好而灵活的接口，方便上层调用。
2.2 数据采集功能模块设计
　数据采集模块是设备状态监测与诊断仪的核心部分，其驱动的高效性和稳定性是影响整个系统的关键因素。其基本工作流程如图3所示。

    在启动数据采集之前，可以先对采样点数、采样频率以及单/双通道采集等进行设置。在采集过程中，当A/D转换器完成一个周期的转换后，会给FPGA发出一个中断，FPGA对FIFO发出写信号并将转换完成后的数据写入FIFO。当FIFO达到半满时,其半满标志位会发出中断信号，FPGA接收到该信号后,控制OMAP对FIFO执行读操作。非触发采集方式和触发采集方式不同之处是:在非触发采集方式下，A/D的启动、停止信号由OMAP提供，当需要转换时，OMAP发出启动转换信号，启动AD转换，停止亦然;在触发采集方式下，采集启动、停止信号由键相信号来提供。
    以OMAPL138为处理器平台的便携式设备状态监测与诊断仪，满足了手持仪器低功耗高性能的要求。ARM核与DSP核的协同工作，既满足了高速数字信号处理的要求，完成复杂的故障诊断算法，又具备强大的外设管理及控制能力，同时Window CE还为用户提供了丰富友好的操作界面，以满足用户的需求。
参考文献
[1] Texas Instrument. OMAP-L138 Technical Reference Manual  [EB/OL]. 2009.
[2] 任雷，林岩,张干沫阳. 基于CPLD的OMAP-L137与 ADS1178数据通信设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2009，8：26-28.
[3] 武昱. 嵌入式数据采集系统的研究与开发[D]. 北京：北京化工大学，2008.